JPH0367006A - セラミックリンク - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、弁駆動機構などにおける動力伝達部材である
リンクに係り、特に耐摩耗性に優れたセラミックス部材
によって形成したセラミックリンクに関する。

（従来の技術） ディーゼルエンジンの弁駆動機構や燃料噴射駆動機構な
どに使用される動力伝達用棒状部利（以下、リンクと称
する）、たとえばブツシュロッドやインジェクトリンク
は、相手部材とＪＦＪ接しつつ動力の伝達を行うもので
あり、従来、リンク全体の機械的強度の向上を目的とし
て、摺動部となる半球形の端部を含む全体を高速度鋼な
どの金属部材によって一体に形成したものが多用されて
きた。

ところで、近年、摺動部の耐摩耗性を高めることによっ
てリンクの部品寿命の向上を図ることが強く要望されて
いるが、金属部材では相手部材との摺接による摩耗が激
しいために、直接の摺接部となる半球状端部を構成する
部材として、窒化ケイ素焼結体などの耐摩耗性に優れた
セラミックス部材が注目され、実用化が進められている
。

セラミックス部材を摺動部に用いたリンクとしては、窒
化ケイ素焼結体製などの半球状チップを作製し、これを
金属製の軸部の端部に焼嵌やろう接などによって取付け
たものが一般的である。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、金属部材の端部にセラミックスチップを
取付けたリンクは、たとえば取付は部の形状が複雑にな
り、また組立てに要する手間によってコスト高を招いて
しまうのみならず、取付は部の接合に対する信頼性が低
いために、セラミックス部材による耐摩耗性の向上が充
分に生かしきれていないのが現状である。

そこで、軸部を含むリンク全体をセラミックス部材で形
成することが考えられるが、金属部材と違い脆性材料で
あるセラミックス部材によってリンク全体を形成する場
合、端部摺接部の耐摩耗性以外に軸部の機械的強度を確
保する必要がある。

しかし、窒化ケイ素焼粘体などの一体成形物からなるセ
ラミックリンクは、一定の製造条件の下で作製したとし
ても、軸部の機械的強度や１ｔＪ接部における耐久性に
バラツキが発生することが本発明者らの実験によって明
らかになった。したがって、これらの再現性を高めるこ
とが信頼性に優れたセラミックリンクを提供する上で最
も重要な課題である。

本発明は、このような課題に対処するためになされたも
ので、両端部に球面部を有する一体成形によるセラミッ
クリンクの機械的強度および球面部の耐久性に対する再
現性を向上させることによって、安価で耐摩耗性に優れ
たセラミックス部材の特徴を充分に生かし得る信頼性に
優れたセラミックリンクを提供することを目的とする。

［発明の構成コ （課題を解決するための手段） すなわち本発明のセラミックリンクは、セラミックス部
材からなる円柱状の軸部と、この軸部の両端部に該軸部
と一体的に前記セラミックス部材によって形成された摺
接面となる球面を有する球面部とを具備し、前記軸部表
面に存在するボアの最大径が１５０μｍ以下であり、か
つ、前記球面に存在するボアの最大径が４０μｍ以下で
あることを特徴とするものであり、さらにこれら軸部表
面および球面には、直線状のキズが実質的に存在しない
ことを特徴とするものである。

（作　用） セラミックス部材によって一体に形成したセラミックリ
ンクの機械的強度は、微小クラックのような直線状のキ
ズの他に、表面部に存在するボアに大きく影響される。

表面に存在する微小クラッタなどの直線状のキズが外力
による応力集中部となることはもとより、セラミックリ
ンクの表面に存在するボアも、外力が加わった際の応力
集中部となる。そして、ボア径が大きいほど小さい外力
でクラックなどを招きやすく、機械的強度の低下、さら
には破壊に至る。

そして、軸部の強度はリンク全体の機織的強度にかかわ
り、軸部表面に　１５０μｍを超える径を右するボアが
存在すると、たとえばディーゼルエンジンの各種駆動機
構におけるリンクとしての機械的強度を満足することが
できなくなる。また、摺接面となる球面は、より苛酷な
条件下での動作を強いられ、４０μｍを超える径のボア
が存７〔すると、相手部材との摺接に対する信頼性が低
下し、耐摩耗性に優れたセラミックス部材の特性が大幅
に低下してしまう。

（実施例） 以下、本発明のセラミックリンクの実施例を図面を参照
して説明する。

第１図は、本発明のセラミックリンクの一実施例を示す
断面図である。このセラミックリンク１は、円柱状の軸
部２と、その両端部に形成された凸状の半球面３を有す
る球面部４とがら構成されており、これら軸部２と球面
部４とは中実のセラミックス焼結体によって一体的に形
成されている。

このセラミックリンク１は、たとえばディーゼルエンジ
ンの弁駆動機構におけるブツシュロッドや燃料噴射機構
におけるインジェクトリンクなどとして用いられるもの
である。たとえば弁駆動機構のブツシュロッドとして使
用する場合は、カムの動作に連動し相手側摺接面となる
凹状球面を有するタペットと、同様に凹状球面を有する
ロッカーアームとの間に、上記セラミックスリンク１が
配設されるものであり、両端の球面部４とタペットおよ
びロッカーアームの凹状球面とがそれぞれＪＰ？接しつ
つ、カムのｍ運動をロッカーアームの他方側に配置され
た弁に伝達するための中間部材としてセラミックスリン
ク１が動作する。

このセラミックリンク１の素材となるセラミックス焼結
体としては、耐摩耗性に優れると共に機械的強度の大き
い窒化ケイ素焼結体、サイアロン焼結体、炭化ケイ素焼
結体、酸化ジルコニウム焼粘体などが好ましく、特に破
壊靭性値（Ｋ　ｌｃ）が５ＭＰａ　ｌｌ！Ｍ以上の窒化
ケイ素焼結体が好適している。

上記球面部４は、第２図に示すように、半球面３の曲率
半径ｒｌが軸部２の断面半径ｒｌより若干大きく設定さ
れており、軸部２と球面部４との間に段差５が生じるよ
うに構成されている。これによって、球面部４が相手部
材と摺接する際に、軸部２による障害が防止でき、ＪＦ
Ｉ接動作の自由度が向上する。

また、球面部４の摺接面となる半球面３の先端には、半
球面３の曲率半径の１１５〜１／ｌｏ程度の直径を有す
る平坦面３ａが形成されている。この平坦面３ａは摺接
時のにげとして作用し、これによって実際に相手部材と
摺接する面が拡大され、片当りなどによる部分的な摩耗
が防止される。また、実際に摺接する面を拡大すること
によって、摺接面となる半球面３は軸部２中心から実質
的に７０度（図中θ）程度まで形成する。

この半球面３の球面輪郭度は、２０μｍ以下とすること
が好ましい。摺接面に部分的に大きな凹凸が存在すると
、相手部材との摺接時の摩耗が著しくなって耐久性が低
下するためであり、球面輪郭度を２０μｍ以下というよ
うに半球面３の形状精度を高精度に規定することによっ
て、相手部材との高精度な摺接が可能となり、セラミッ
クリンク１および相手部材の摩耗量をより低く押えるこ
とが可能となる。

そして、上記半球面３に存作するボアは、その最大径が
４０μｍ以下に規定されており、また軸部２の表面２ａ
に７Ｊ：在するボアは、その最大径が１５０μｍ以下に
規定されている。また、直線状のキズはそれぞれから実
質的に全て排除されている。

ここで、直線状のキズと上記ボアとの判別は、キズの長
径が短径の５倍以上のものを直線状のキズと定義し、微
小クラックなども含むものとする。

これらキズ（上記ボアを含む）の有無および大きさを判
定する方法としては蛍光探傷試験が有効であり、この実
施例のセラミックリンク１においても蛍光探傷試験を実
施することによって、半球面３および軸部表面２ａに存
在するボアが上記規定の範囲内であるかどうかを判定し
ている。

微小クラックを含む上記直線状のキズは、セラミックス
リンク１に力が加わった際に応力集中部となり、破壊を
招くようなりラックに発展しやすいため実質的に排除す
る。また、それ以外のボア（長径が短径の５倍未満のも
の）であっても同様に応力集中部となり、その径（上記
長径）が大きいほど小さい力でクラックの形成を招きや
すく、強度低下要因となる。

そして、軸部２の強度はセラミツクリンク１全体の機械
的強度にかかわり、長径が１５０μｍを超えるようなボ
アが存在すると、たとえば弁駆動機構のブツシュロッド
や燃料噴射駆動機構のインジェクトリンクなどに要求さ
れる機械的強度が得られなくなる。また、摺接面となる
半球面３はセラミックリンク１の動作に伴って直接的な
力が加わり、より苛酷な条件下にさらされるため、さら
に機械的強度に対する信頼性を向上させる必要がある。

そして、長径が４０μ慴を超えるようなボアが存在する
と、摺接に対する耐久性が不十分となる。

これらボアの加わる力に対する影、響は、その径が最も
影響力が強いが、存在する個数によっても機械的強度が
左右されるため、軸部表面２ａにおいてはボアの数を１
０個／ｌｄ以下とすることが好ましく、特に４個／　ｘ
ｉ以下（長径１０μｍ以上のもの）とすることが望まし
い。また、半球面３においてはポアの数を３個／−以下
とすることが好ましく、特に１個／　ｒｉｄ以下（長径
ｌＯμｎ以上のもの）とすることが望ましい。

次に、上記構成のセラミックリンク１の製造方法につい
て説明する。

この実施例の両端部に球面部４が軸部２と一体に形成さ
れたセラミックリンク１は、ブレス成形などによってた
とえば円柱状の成形体を作製し、焼結した後に最終形状
まで機槻加工を施すというような製造方法を採用するこ
とも可能であるが、射出成形法を適用して完成品近似形
状の成形体を作製し、これを焼結して焼結面を最終表面
とすることにより、機械加工を省くことがことが可能と
なるため安価に製造することができ、その射出成形法を
採用することが望ましい。

このセラミックリンク１の成形体の製造に射出成形を適
用する場合の諸条件は、公知のセラミックス射出成形法
に準するものであり、たとえば第３図に示すような射出
成形用金型を用いて完成品近似形状の成形体を作製する
。

同図に示す射出成形用金型１０は、軸部２となるキャビ
ティｌｌａが設けられた馳部用金型１１の両側に、上記
軸部２となるキャビティｌｌＨの両開放端部と球面部４
となるキャビティ１２ａ１１３ａとが１つのキャビティ
を形成するよう球面部用金型１２．１３が配置されて構
成されている。

なお、軸部２となるキャビティｌｌａと球面部４となる
キャビティ１２ａ、１３ａ間には、僅かな段差が設けら
れており、これによって軸部２の外径が球面部４より小
径となる。

軸部用金型１１は２つ割りとされており、−刃側にゲー
ト１４が設けられている。また、球面部用金型１２．１
３のキャビティ１２　ａ　ｓ　１３　ａの中央部にはそ
れぞれ貫通孔１２ｂ、１３ｂが設けられており、これら
にはエアベントビン１５．１６が挿入され、エアベント
ビン１５．１６と貫通孔１２ｂ、１３ｂとの間に僅かな
隙間（たとえば０．０１■〜０．０２ＩＩＩｌ程度）が
形成されている。またエアベントビン１５．１６のキャ
ビティ側先端１５　ａ　ｓ　１６　ａは、半球面３先端
の平坦面３ａを形成するようそれぞれ平面とされている
。さらに、軸部用金型１１と球面部用金型１２．１３と
の間にもエアベント満（図示せず）が設けられている。

そして、これら隙間がエアベントの役目を果し、キャビ
ティｌｌａ、１２ａ、１３ａ内に射出された成形材料は
、キャビティｌｌａ、１２ａ、１３ａ内の空気や自ら発
生するガスに流動を妨げられることなく、急速に（冷め
ないうちに）均一に充１ｎされ、成形体の表面を平滑に
すると共に、内部に気泡などの欠陥が発生することが防
止される。

次いで、得られた成形体のゲート部を削除した後に、脱
脂、焼結を施すことによってセラミックリンク１を作製
する。

このようにして得たセラミックリンク１は、焼粘面のま
までも上述したような各種規定を満足しやすく、直接使
用することも可能であるが、バレル加工のような表面加
工を施し、表面をより平滑にして使用することが好まし
い。

次に、上記射出成形用金型１０を用いたセラミックリン
ク１の具体的な製造例および得られたセラミックリンク
１を用いて行った特性の評価結果について説明する。

まず、平均粒径０．８μｍの窒化ケイ素粉末１００重量
部に、次に示す組成の添加成分を２５重量部加えた。

パラフィンワックス　　　　　　５０〜６５重毒％可塑
剤および滑剤（Ｄ、０．Ｐ）　　　　２０〜３５重足％
エチレン−酢酸ビニル共重合体　ｌＯ〜２０ＬＩｆ量％
このようにして調整した組成物を１００℃の温度で混練
し、均一な混合物を得た後、この混合物を粉砕してセラ
ミックス成形材料を作製した。

次いで、この成形材料を第３図にその構成を示した成形
金型内に射出充埴し、成形体を作製した。

なお、成形条件は射出成形機のシリンダ温度１００℃、
射出圧力（金型内圧力でａｐ＋定）　４０ＭＰａ　、成
形サイクル６０秒とした。

そして、得られた成形体のゲート部を除大した後、常温
から５００℃まで徐々に昇温しで脱脂を行い、この後１
７５０℃まで昇温し、その温度で約４時間保持して焼結
させ、セラミックリンク１を得た。

得られたセラミックリンク１は、球面部４の回生半径が
３．９５　ｎｏ＋で、半球面３の球面輪郭度が１５μｍ
以内、面粗さがＲｍａｘ　　３μ膓であり、球面部４に
は同等欠陥が生ぜず、非常に良好なものであった。なお
、半球面３の平坦部３ａは直径１ａＩｌｓ球面部４と軸
部２との段差は０．０２ｍｍ　　（軸部２の方が小径）
であった。

また、同様にして作製した多数のセラミックリンク１に
対して個々に蛍光探傷試験を施し、セラミックリンク１
表面に存在する全キズ（ボアを含む）を確認した。そし
て、直線状のキズが存在するものを除外し、各種径のボ
アを有するセラミックリンク１に対して３点曲げ強度試
験を行った。

試験方法は、選択したボアが荷重点下に位置するようセ
ラミックリンク１を配置して破壊試験を行い、破壊に至
った荷重により機械的強度を評価した。その結果を選択
したボア径と　３点曲げ強度との関係として第４図に示
す。なお、測定結果は選択したボアに起因して破壊した
ものと他の箇所から破壊したものとに分けて表示する。

また、蛍光探傷試験によって明確化されるボアは、実ボ
ア径より拡大されるため、その部分を改めて顕微鏡で拡
大して実ボア径を測定した。なお、蛍光探傷試験によっ
て出現する印は実ボア径にほぼ比例していた。

第４図の結果からも明らかなように、ボア径か大きくな
るほど３点曲げ強度が低下することが分る。そして、ボ
ア径が１５０μｍ以下であれば、曲げ強度６０ｋｇ／−
が達成され、リンクに望まれる機械的強度が得られる。

また、ボア径が４０μｍ以下であれば、曲げ強度８０ｋ
ｇ／ｍｊが達成され、摺接面に望まれる機械的強度が得
られ、摺接部材として充分な耐久性が得られる。

また、褥られたセラミックリンク１の中から前述した本
発明の規定（ボア径、ボア数、球面輪郭度）内のセラミ
ックリンクと、軸部表面２ａに１５０μ鵡を超えるボア
が存在する以外は規定内のもの（比較例１）、半球１１
ｊ３に４０μｍを超えるボアが存在する以外は規定内の
もの（比較例２）および半球面３の輪郭度が２０μ…を
超える以外は規定内のもの（比較例３）とをそれぞれデ
ィーゼルエンジンの燃料噴射駆動機構におけるインジェ
クトリンクとして塔載し、約１８０万ｋｍの実走行相当
の試験を行った。

その結果、実施例のセラミックリンク１を使用したディ
ーゼルエンジンにおいては、セラミックリンク１および
相手部材共に大きな摩耗は見られず、また試験後に実施
した３点曲げ強度試験においてもほとんど強度低下は認
められなかった。

これに対して、比較例１のセラミックリンク１を使用し
たディーゼルエンジンにおいては、セラミックスリンク
１および相手部材共に大きな摩耗は見られなかったが、
試験後に実施した３点曲げ強度試験では著しい強度低下
を示した。また、比較例２のセラミックリンク１を使用
したディーゼルエンジンにおいては、セラミックスリン
ク１の球面部表面が部分的に大きく摩耗し、相手部材の
一部にも摩耗を生じた。また、比較例３のセラミックリ
ンク１を使用したディーゼルエンジンにおいては、相手
部材の一部が大きく摩耗し補修が必要であった。

［発明の効果コ 以上説明したように本発明によれば、セラミックス部材
を用いたリンクの信頼性およびその再現性が大幅に向上
し、セラミックス部材の耐摩耗性に優れるという特性を
充分に生かすことが可能となる。よって、摩耗量が少な
く長寿命化が達成でき、かつ信頼性に優れた安価なセラ
ミックリンクを提供することがｎＩ能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のセラミックリンクを示す断
面図、第２図はその要部拡大図、第３図は本発明の一実
施例で使用したセラミックリンクの成形体作製用の射出
成形用金型の構成を示す図、第４図はセラミックリンク
表面に存在するボア径と　３点曲げ強度との関係を示す
図である。 １・・・・・・セラミックリンク、２・・・・・・軸部
、２　ａ　−・・軸部表面、３・・・・・・半球面、４
・・・・・・球面部。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）セラミックス部材からなる円柱状の軸部と、この
   軸部の両端部に該軸部と一体的に前記セラミックス部材
   によって形成された摺接面となる球面を有する球面部と
   を具備し、 前記軸部表面に存在するボアの最大径が１５０μｍ以下
   であり、かつ、前記球面に存在するボアの最大径が４０
   μｍ以下であることを特徴とするセラミックリンク。
2. （２）請求項１記載のセラミックリンクにおいて、前記
   軸部表面および球面共に、直線状のキズが実質的に存在
   しないことを特徴とするセラミックリンク。
3. （３）請求項１記載のセラミックリンクにおいて、前記
   球面の輪郭度が２０μｍ以下であることを特徴とするセ
   ラミックリンク。